淺談PCB的信號完整性設計分析

李帥

【摘要】? ? 信號完整性設計是PCB設計中的重要組成部分，其設計質量直接關系著PCB設計整體效果，決定PCB生產(chǎn)與應用質量。基于此，本文以PCB信號完整性設計為研究對象，簡要分析了PCB信號完整性設計的必要性、PCB信號完整性的內(nèi)涵以及PCB信號完整性的設計方法。

【關鍵詞】? ? PCB設計? ? 信號完整性

引言：

在電子科學技術創(chuàng)新發(fā)展與推廣應用下，電子設備呈現(xiàn)出多類型、多功能、輕質量、小型化、精細化、自動化發(fā)展態(tài)勢，并廣泛應用于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活與學習中。隨著電子設備及其應用的高速發(fā)展，PCB設計的重要性不斷提升。如何改善PCB信號完整性問題，提升PCB設計質量與應用效果成為人們關注的重點問題。

一、PCB的信號完整性設計的必要性分析

PCB（Printed Circuit Board，印制線路板/印刷電路板/印制板）是電子設備、電子系統(tǒng)中的重要構成部件，承擔著電子元器件電氣連接的重要使命。能夠實現(xiàn)電子元器件自動檢測、自動貼裝，在保證電氣設備生產(chǎn)與應用質量的同時，節(jié)約電子設備生產(chǎn)成本，提升電子設備管理效率。隨著近些年我國電子科學技術的創(chuàng)新發(fā)展，電子設備呈現(xiàn)出多類型、多功能、輕質量、小型化、精細化、自動化發(fā)展態(tài)勢，并廣泛應用于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活與學習中。在此背景下，PCB制造趨向高密度、高精度、高速度、輕質量、小型化、細導線、細間距等方向發(fā)展，對PCB設計提出了更高要求。而隨著PCB制造的“高”、“精”、“細”、“輕”、“快”發(fā)展，PCB的信號完整性（PCB信號線的信號傳輸質量）問題日漸顯著，信號反射、信號串擾、信號過沖與下沖、振鈴、地彈等現(xiàn)象頻發(fā)，成為影響PCB制造質量，制約電子產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的核心要素。

二、PCB的信號完整性設計內(nèi)涵分析

信號完整性是指電路系統(tǒng)中信號的質量能夠不失真地從源端傳送到接收端。信號快速的跳變（上升沿與下降沿）引發(fā)了信號傳輸?shù)姆穷A期效果，這也是信號完整性問題的根源所在。在PCB設計過程中，信號完整性問題是一個綜合性問題，導致PCB信號完整性的因素有很多，主要包括信號的反射、信號的串擾、電源和地分配中的軌道塌陷以及來自系統(tǒng)的電磁干擾和輻射等四個方面。對此，要想改善PCB的信號完整性問題，需要在PCB設計之初就做好信號完整性問題的綜合分析工作，在PCB設計全過程中滲透改善信號完整性的措施，最終實現(xiàn)對PCB信號完整性的科學控制。

三、PCB的信號完整性設計方法分析

（一）就信號反射而言，信號在傳輸過程中，每時每刻都會感受到一個瞬態(tài)阻抗，當信號所感受到的瞬態(tài)阻抗相一致時，信號順利傳輸;當信號所感受到的瞬態(tài)阻抗產(chǎn)生變化時則會發(fā)生信號反射。反射會造成信號過沖、振鈴、邊沿遲緩等問題。衡量信號反射的重要指標是反射系數(shù)，表示反射信號與入射信號幅值之比，其大小為：ρ= （Z2-Z1）/（Z2+Z1）， Z1是第一個區(qū)域的特性阻抗，Z2是第二個區(qū)域的特性阻抗。反射是經(jīng)常遇到的信號完整性問題，我們只能無限地縮小它，卻不能完全消除它。在PCB設計過程中，我們可以通過調整布線拓撲結構、控制走線阻抗以及對信號線進行匹配等方法進行處理。

（二）信號的串擾是指信號在傳輸線路上傳輸時，由于電磁耦合而對相鄰的傳輸線產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。串擾一般通過兩種途徑：電容耦合和電感耦合。串擾不是來自于外部的噪聲，而是由內(nèi)部傳輸線之間的電磁效應引起的。解決串擾問題的方式主要有增加走線間距、進行端接匹配、相鄰層走線相互交叉、保證信號線有良好的回流路徑、對重要信號線進行包地處理等方式。

（三）軌道塌陷是指當通過電源和地路徑的電流發(fā)生變化時，在電源路徑和地路徑間的阻抗上將產(chǎn)生一個壓降，可以看做是電源與地間的電壓減小或塌陷。軌道塌陷噪聲主要是電源分配網(wǎng)絡問題。解決方法：電源和地平面之間放置去耦電容;電源和地之間的連接線盡可能地短和寬;電源層和地層盡可能的靠近放置;盡可能地讓返回電流靠近信號電流。

（四）EMI有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是通過導電介質把信號耦合到另一根信號線上，輻射干擾則是通過空間耦合的方式。高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為干擾源，發(fā)射電磁波并影響其他系統(tǒng)或本系統(tǒng)內(nèi)其他子系統(tǒng)的正常工作。解決方法：對特殊器件如高頻、模擬、敏感等器件進行合理放置;合理劃分PCB的模擬、數(shù)字等區(qū)域;處理好電源和地的布線;采用合理的接地方式等。

結論：PCB的信號完整性決定著PCB信號傳輸質量，隨著PCB高密度、高集成、輕質量發(fā)展，PCB的信號完整性問題日漸顯著，成為影響PCB研發(fā)與應用的核心要素。對此，在PCB設計研發(fā)與生產(chǎn)制造過程中，應明確認識PCB的信號完整性問題，掌握PCB的信號完整性設計方法，提升PCB的信號完整性設計質量，為電子產(chǎn)品創(chuàng)新與應用提供保障。

參? 考? 文? 獻

[1]陳放，田建宇，孫兆牛，等.基于信號完整性與電源完整性的PCB電磁兼容協(xié)同仿真方法研究[J].航天控制，2017，35（04）：90-94.